浅谈分布式电源和储能的微电网控制技术研究与安科瑞微电网

安科瑞 刘迈

　　摘要：随着可再生能源发展，微电网已成为重要的能源供应形式。然而，源网荷储的多元异构特性及其不确定性给系统优化调度和稳定控制带来挑战。文章分析了含多种分布式电源和储能微电网面临的挑战，探讨了含多种分布式电源和储能的微电网控制技术，并提出了微电网多时间尺度协调控制策略，以期实现微电网的安全、经济、运行，为能源互联网发展提供支撑。

　　关键词：微电网控制；分布式电源；储能；分层协调控制；自适应控制算法

　　1引言

　　面对全球日益严重的能源短缺和环境污染问题，发展可再生能源已成为各国共识。微电网作为新型电力系统的一个核心组成部分，通过整合分布式电源、储能设备及负荷，构建了一个既灵活可靠又经济环保的能源供应网络。

　　近年来，随着光伏发电、风力发电、燃料电池等分布式能源技术的快速发展，以及电动汽车、智能家电等新型负荷的广泛应用，微电网在智慧城市、工业园区、海岛供电等场景中的部署规模不断扩大。同时，能源互联网的理念推动了微电网向更智能、更灵活的方向发展。

　　2基于随机森林的协调控制方法设计

　　微电网作为集成分布式电源、储能装置和负荷的小型发配电系统，近年来呈现出多元异构的发展趋势。这种多元异构性不仅体现在电源侧，还表现在储能侧和负荷侧，给微电网的优化控制带来了的挑战。在电源侧，微电网包括光伏、风电等间歇性可再生能源，以及燃料电池、微型燃气轮机等可控分布式电源。不同类型电源的出力特性和控制要求差异显著，如何优化协调各电源出力，在保证电能质量和供电可靠性的同时实现经济运行，是一个亟待解决的难题。在储能侧，微电网融合了电池、飞轮、电容等多种储能形式。不同储能装置的动态响应特性、适用场景和优化配置方法各不相同。如何根据微电网实际需求，优化配置不同储能类型的容量比例，协调控制储能设备的充放电过程，以适应电源和负荷的随机波动，提升微电网灵活性和可靠性，是一个富有挑战性的课题。在负荷侧，电动汽车、智能家电等新型负荷的大量接入，加剧了微电网负荷的多样性和不确定性。

　　3含多种分布式电源和储能的微电网控制技术

　　3.1分层协调控制技术

　　分层协调控制技术将控制系统分为全局优化层、本地控制层和设备控制层3个层级，实现了不同时间和空间尺度下的协调控制。

　　（1）全局优化层负责整个微电网的经济优化调度，根据负荷预测、电价信息和设备运行状态制定*优运行策略。

　　（2）本地控制层在全局优化的基础上对分布式电源和储能设备进行实时控制，确保它们按照优化调度指令运行。本地控制层利用模型预测控制、滑模控制等技术实现实时跟踪控制。

　　（3）设备控制层直接与各个设备通信，执行控制指令并反馈运行状态。设备控制层采用基于智能体的分布式控制架构，通过智能电力电子设备直接控制逆变器和储能变流器等设备。

　　采用分层协调控制方法能够在保证系统稳定运行的同时，实现微电网的经济优化调度，提高能源利用效率。以浙江景宁的绿色100%泛微网工程为例，这是国内应用主配微网协同的分层分级县域电网模型，实现了对清洁能源的统一管控，*大化利用清洁能源。据介绍，该项目建成后，预计景宁县域100%绿电供应时长将增加30%，电网损耗减少0.5%，新增新能源消纳能力11×105kW·h，可为电网节省投资约1亿元。景宁的案例充分展示了分层协调控制技术在实际应用中的可行性和效果，为其他地区的清洁能源利用和微电网管理提供了宝贵的经验。

　　3.2多代理协同控制技术

　　多代理协同控制技术是微电网管理的一种先进方法，将分布式电源、储能设备和负荷视为独立的智能代理。每个代理根据自身运行状态和优化目标，与其他代理进行信息交互和策略协商，在满足全局优化目标的同时实现自身利益*大化。这种技术通过引入市场机制，可实现分布式能源的交易和共享，促进微电网的经济运行。各代理通过一致性算法、交替方向乘子法等分布式优化算法，协同求解经济调度和功率平衡问题。同时，多代理系统可引入增强学习技术，使代理能自主学习和适应环境变化，提高系统的自适应能力。以北京亦庄碳中和智慧园区的绿色微电网项目为例，该园区作为风电设备研发、制造基地，2022年总产值约1.06亿元，总用电量约1.55×107kW·h。园区通过自主研发的智慧园区运营管理平台，该系统实现了园区用能的智慧调配和自我调节。风电和光伏总发电量约7.8×106kW·h，其中7.25×106kW·h实现就地消纳，可再生能源就地消纳比例高达93%。该案例展示了多代理协同控制技术在实际工业园区中的成功应用，实现了多能互补和智能耦合，为类似的产城融合度高、土地资源集约利用的工业园区提供了可借鉴的智慧能源解决方案。

　　3.3基于模型预测的优化控制技术

　　微电网的运行受负荷需求、天气条件和电价等多种因素影响,具有较强的不确定性和随机性。为应对这些挑战,可以采用基于模型预测的优化控制技术。该技术通过建立微电网的动态模型,包括分布式电源、储能设备、负荷和电网等元素，预测未来一段时间内的系统状态和外部环境变化。在此基础上，利用混合整数规划、动态规划和启发式优化等优化算法求解*优控制策略，包括分布式电源的储力、储能设备的充放电和负荷的调度等。模型预测控制技术可充分考虑系统的约束条件和优化目标，如电压、频率、功率平衡和经济效益等，实现微电网的安全、稳定和运行。

　　同时，它还能通过滚动优化与反馈校正机制，不断更新优化模型和控制策略，以灵活适应微电网运行状态的变化情况。基于模型预测的优化控制技术通过建立微电网的动态模型，预测未来一段时间内的系统状态和扰动，并利用滚动优化和反馈校正机制生成*优控制策略。该技术采用混合逻辑动态系统理论，将微电网建模为连续状态变量和离散事件驱动的混合系统[4]。在此基础上，利用混合整数规划、模型预测控制等方法，求解包含实时电价、风光功率预测等随机因素在内的多阶段优化问题。

　　4 Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统

　　4.1平台概述

　　Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的先进经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电站的接入，*进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电站运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

　　微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

　　4.2平台适用场合

　　系统可应用于城市、公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

　　4.3系统架构

　　本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1典型微电网能量管理系统组网方式

　　5充电站微电网能量管理系统解决方案

　　5.1实时监测

　　微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测光伏、风电、储能、充电站等各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

　　系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

　　系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

　　微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电站及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图1系统主界面

　　子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。

　　5.1.1光伏界面

图2光伏系统界面

　　本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

　　5.1.2储能界面

图3储能系统界面

　　本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图4储能系统PCS参数设置界面

　　本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图5储能系统BMS参数设置界面

　　本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图6储能系统PCS电网侧数据界面

　　本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图7储能系统PCS交流侧数据界面

　　本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图8储能系统PCS直流侧数据界面

　　本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS状态界面

　　本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图10储能电池状态界面

　　本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图11储能电池簇运行数据界面

　　本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。

　　5.1.3风电界面

图12风电系统界面

　　本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

　　5.1.4充电站界面

图13充电站界面

　　本界面用来展示对充电站系统信息，主要包括充电站用电总功率、交直流充电站的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电站的运行数据等。

　　5.1.5视频监控界面

图14微电网视频监控界面

　　本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

　　5.1.6发电预测

　　系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图15光伏预测界面

　　5.1.7策略配置

　　系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、防逆流、有序充电、动态扩容等。

　　具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。

图16策略配置界面

　　5.1.8运行报表

　　应能查询各子系统、回路或设备*时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能、尖峰平谷时段电量等。

图17运行报表

　　5.1.9实时报警

　　应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图18实时告警

　　5.1.10历史事件查询

　　应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图19历史事件查询

　　5.1.11电能质量监测

　　应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

　　1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*和正序/负序/零序电流值；

　　2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

　　3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

　　4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

　　5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

　　6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

　　7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图20微电网系统电能质量界面

　　5.1.12遥控功能

　　应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图21遥控功能

　　5.1.13曲线查询

　　应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图22曲线查询

　　5.1.14统计报表

　　具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的发电、用电、充放电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图23统计报表

　　5.1.15网络拓扑图

　　系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图24微电网系统拓扑界面

　　本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

　　5.1.16通信管理

　　可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图25通信管理

　　5.1.17用户权限管理

　　应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图26用户权限

　　5.1.18故障录波

　　应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图27故障录波

　　5.1.19事故追忆

　　可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

　　用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户随意修改。

6.硬件及其配套产品

　　7结束语

　　随着能源电力系统向清洁化、分布式、智能化方向发展，含多种分布式电源和储能的微电网已成为能源变革的重要载体。文章围绕微电网面临的关键技术问题，提出了多时间尺度协调控制和灵活自主运行的系统解决方案。研究成果可为微电网规划设计、优化运行、需求响应等提供理论基础和技术支撑，具有广阔的应用前景。未来，还需进一步探索微电网群的协同互济机制、源网荷储的多能互补与优化、安全可靠的信息物理融合架构等，助力能源互联网的建设和发展。

　　【参考文献】

　　【1】李妍，查翔，仇佳鑫.含多种分布式电源和储能的微电网控制技术研究[J].光源与照明，2024：199.

　　【2】秦金平.含多种分布式电源的微电网的运行控制策略分析[J].光源与照明，2023(4):198-200.

　　【3】石悦,颜清,曾智翔,等.基于云边协同的智能配网分层协调调度方法[J].自动化与仪器仪表,2024(10):210-213.

　　【4】吴青峰.微电网多电池储能系统的SOC协同控制研究[D].北京:燕山大学,2019.

　　【5】安科瑞高校综合能效解决方案2022.5版.

　　【6】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.